De stappenmotor 1 Inleiding

Transcriptie

1 De stappenmotor 1 Inleiding Stappenmotoren zijn in het bijzonder geschikt om door een digitale besturing aangestuurd te worden, dat wil zeggen aansturing door middel van digitale signalen, bijvoorbeeld een microcomputer (PC), een programmable logic controller (PLC), een microcontroller of door middel van digitale elektronica. Het digitale signaal moet met behulp van een versterker op een zodanig energieniveau gebracht worden zodat dit signaal de spoelen van de stappenmotor kan bekrachtigen. In tegenstelling met andere aandrijfsystemen kan het gebruik, bijvoorbeeld positionering of toerenregeling, van stappenmotoren plaatsvinden zonder gebruik te maken van enige terugkoppeling van signalen. In normale aandrijfsystemen maakt men gebruik van meetsignalen om het toerental of de positie te kunnen meten, deze signalen worden teruggekoppeld naar het regelsysteem. Zie figuur 1 figuur 1 Deze eigenschappen zorgen ervoor dat het gebruik van stappenmotoren een relatief goedkope oplossing biedt. De karakteristieke eigenschap van en stappenmotor is het stapsgewijs draaien van de as. Een verandering van het digitale ingangssignaal (1 0) geeft als resultaat dat de as van de stappenmotor een bepaalde (vaste) hoek verdraait. Deze hoek is geheel afhankelijk van de mechanische opbouw van de stappenmotor. Een volledige as omwenteling bestaat dus uit een aantal stappen, deze kan variëren tussen de 20 en de 500 stappen per omwenteling. De frequentie waarmee de digitale ingang verandert is tevens een maat van het toerental van de stappenmotor. Op deze wijze verkrijgen we dus een eenvoudige besturing van de stappenmotor. Een ander groot voordeel is dat het geleverde koppel van deze motor hoog is bij een laag toerental. De stappenmotor wordt in veel toepassingen gebruikt, omdat de motor kleine afmetingen bezit, een hoog koppel levert, hoge efficiency bezit en de motor bij stilstand een as verdraaiing van buitenaf tegenwerkt. Tevens is de stappenmotor een onderhoudsvriendelijke motor, deze heeft in tegenstelling tot andere (gelijkstroom) motoren geen koolborstels. Daarom wordt de stappenmotor ook weleens een borstel loze motor genoemd.

2 2 Het gebruik van de stappenmotor De stappenmotor wordt het meest toegepast in positioneringssystemen, zoals robotsystemen, X/Y tafels, afregelen en kalibratie van machines. De allergrootste toepassing van de stappenmotor is de positioneringssystemen in kantoorapparatuur en kantoortechnologie. Bijvoorbeeld de verplaatsing van de printerkop van een printer, papierin- en uitvoer van printers, de penbewegingen van een plotter en recorders, papiertransport in kopieerapparatuur en de positionering van de lees en schrijfkoppen in de disk drive. Zo zijn er nog veel meer toepassingsgebieden te noemen waar de stappenmotor toegepast wordt. 3 De werking van de stappenmotor Een stappenmotor met een permanente magneet is opgebouwd als de zogenaamde klauwpoolmotor. De stator bestaat uit twee ringspoelen, die elk in een behuizing zijn bevestigd. Als door de ringspoel een positieve stroom wordt gestuurd dan zal het magnetische patroon van N- Z-N-Z... gevormd worden op de klauwen. Door het ompolen van de ringspoel zal het magnetische patroon omdraaien, wat resulteert in een rotatie gelijk aan de hoek tussen twee klauwen. Deze motoren noemen we bipolaire motoren, zie figuur 2a. Als alternatief kan de ringspoel voorzien zijn van een midden aftakking die vast aangesloten wordt aan de min of plus potentiaal, zie figuur 2b. Door het schakelen van de ene of de andere spoel wordt een omkering van het magnetisch veld verkregen. Deze motoren noemen we unipolaire motoren. figuur 2a figuur 2b Het aansturingsgedeelte van een unipolaire motor is dus eenvoudiger dan van een bipolaire motor, zie het verschil van de schakelelementen van de figuren a en b. Binnen in de motor bevindt zich de rotor, deze bevat één permanente magneet. De werking van de stappenmotor, in de meest eenvoudige uitvoering, wordt uitgelegd met behulp van figuur 3. figuur 3

3 Een staafmagneet met een noord- en zuidpool dient als rotor. Deze rotor draait in een ringvormige kern met vier poolschoenen. Om elke poolschoen zijn een aantal windingen gewikkeld. 360_ = De staphoek is gelijk aan 360 gedeeld door 4 (aantal polen), dit is 90, algemeen geldt P, waarbij P is het totaal aantal polen. Als door de windingen W 1 en W 4 een positieve stroom en door de windingen W 2 en W 3 een negatieve stroom vloeit dan zullen de polen 1 en 4 een zuidpool en de polen 2 en 3 een noordpool vormen. Het midden van de statorzuidpool ligt precies tussen de polen 1 en 4 in, zodat de rotornoordpool tussen de polen 2 en 3 wijst. Als de stroom door de windingen W 3 en W 4 wordt omgedraaid krijgt winding W 3 een positieve stroom en winding W 4 een negatieve stroom. Als resultaat wordt pool 3 een zuidpool en pool 4 een noordpool. De statorzuidpool verplaatst zich van de stand tussen de polen 1 en 4 naar de stand tussen de polen 1 en 3. In figuur is dit gegeven als fase 1 en fase 2. Als resultaat heeft de rotor een hoekverdraaiing van 90 naar rechts gemaakt. Zie figuur voor de stroomrichting van een hele rotordraaiing van 360. De mode die net is beschreven noemt men de full-step bedrijf. In full-step bedrijf wordt de rotor na elke stap gepositioneerd tussen twee poolschoenen. Dit betekent dat de rotor elke stap met een hoog koppel uitvoert. Een ander bedrijf van de stappenmotor is de half-step bedrijf. De stap wordt gehalveerd, dit is mogelijk door niet bij iedere verdraaiing twee noord- en zuidpolen te laten ontstaan, maar afwisselend één en dan twee polen. Dat wil zeggen dat ten eerste de rotor tussen twee polen gepositioneerd wordt (figuur 5) en de volgende stap wordt de rotor precies voor een pool gepositioneerd, zie figuur 4. Stappenmotor fase W 1 W 2 W 3 W 4 1 X X 2 X X 3 X X 4 X X figuur 4

4 Figuur 5 Op deze wijze van schakelen van de windingen is de aantal stappen die nodig zijn voor een omwenteling verdubbeld, de stapgrootte is gehalveerd. Het koppel dat de stappenmotor kan leveren is in half-step bedrijf kleiner dan in full-step bedrijf, de verklaring ligt in het totale magnetische veld dat bij half-step door een poolpaar en bij full-step door twee poolparen wordt verzorgd. 4 De werkingsgrenzen van de stappenmotor De spoelen van de stappenmotor representeren een inductieve belasting (spoel) voor de versterker. di u = L. Zoals bekend geldt: dt, de spanning u is een stapfunctie, zodat we de volgende di(t) R. i (t) + L. = 0 differentiaalvergelijking ontstaat dt. d = p Stel dt, waar nu uit volgt R.i(t)+p.L.i(t)= 0. R p = - De oplossing hiervan is R+ p.l = 0, waaruit volgt: L. t - L i(t)= i0(t). 1- e = De uiteindelijke oplossing hiervan is, waarbij R. We zien dat de stroom volgens een e-macht verloopt naar de stapwaarde.

5 Figuur 6 We zien in figuur 6 dat de actuele stroom door de spoelen de minimale en de maximale waarde bereiken. Als we de frequentie van het digitale aansturingssignaal verhogen dan kan de stroom door de spoel er uitzien volgens figuur 7. Figuur 7 We zien dat de stroom door de spoelen niet meer de maximale en de minimale waarde haalt, hierdoor is de wisseling van de polariteit van de polen niet meer gewaarborgd. Het koppel daalt dus drastisch, indien het verschil tussen de maximale en de minimale stroom door de spoelen te klein wordt zal de stappenmotor niet meer functioneren, het koppel is nagenoeg nul geworden. Voor elke gegeven koppel is een maximale stapfrequentie of snelheid gegeven, deze afhankelijkheid is gegeven is figuur 8.

6 Figuur 8 In het gearceerde gedeelte van figuur heeft de stappenmotor een constant snelheid die afhankelijk is van de aangestuurde stapfrequentie. Dit gearceerde gebied noemen we de Run-up gebied. De stapopeenvolging is zodanig snel dat als de stappenmotor zijn positie net bereikt heeft de volgende stap weer uitgevoerd moet worden. De stappenmotor krijgt geen gelegenheid meer om bij de gewenste positie (stap) stil te gaan staan. Links van de grens van de gearceerde curve van figuur noemen we het start en stop bedrijf van de stappenmotor, de grenslijn noemen we de start/stop frequentiecurve, de rechtse grens van de gearceerde curve noemt men de kritische frequentie-curve, de stappenmotor functioneert hier nog net naar behoren. De frequentie f a is dus de maximale startfrequentie en de frequentie f b is dus de maximale stapfrequentie. Willen we met de stappenmotor een zeer hoge snelheid bereiken dan is het in ieder geval niet mogelijk om met de maximale stapfrequentie f a of f b te starten, er wordt nu geen koppel geleverd. Afhankelijk van het te leveren aanloopkoppel ligt de startfrequentie in het linkerdeel van de grafiek (start/stop bedrijf). Als de stappenmotor eenmaal op gang is gekomen kunnen we de stapfrequentie gaan verhogen zodat de stappenmotor in de Run-up bedrijf komt, de maximale stap-frequentie is wederom afhankelijk van het te leveren koppel, zie figuur 9. Figuur 9 Als we het start/stop bedrijf nader bekijken dan is bij een eenmalige stap de rotorbeweging weergegeven in figuur 10.

7 Figuur 10 We gaan de beweging van de rotor in een stap nader bekijken. Na verandering van de statorzuidpool zal de rotor een hoek verdraaien, nadat de rotor-noordpool de stator-zuidpool heeft bereikt, zal door de verkregen snelheid de rotor voorbij het middelpunt van de statorzuidpool schieten. De rotor zal weer naar het statorzuidpool getrokken worden. De rotor schiet weer voorbij het middelpunt vice versa. De stator vertoond de karakteristiek van een massaveersysteem. Na enige tijd staat de rotor stil. De mechanische eigenschappen van de stappenmotor en de belasting van de stappenmotor bepalen uiteindelijk de "overshoot" en de "settlingtime". Waarbij met de "overshoot" bedoeld wordt het doorschieten en met de "settlingtime" de tijd voordat de rotor praktisch stil staat. Als we de rotor tijdens deze periode weer een stapcommando geven dan zal afhankelijk van het stapmoment de rotorbeweging zijn zoals in figuur 10 en figuur 11 is weergegeven. figuur 11 We zien duidelijk dat de responsie zoals in figuur 11 een wat rustiger verloop vertoont dan de responsie van de rotor zoals in figuur 12 is weergegeven. Als de rotor tijdens het zoeken van zijn rustpunt een uitwijking heeft die gelijk is aan de richting van de volgende stap, zal de stappenmotor deze beweging gaan voortzetten. Als de rotor een uitwijking heeft tegengesteld aan de richting van de volgende stap zal de stappenmotor een meer onrustig gedrag gaan vertonen.

8 figuur 12 We zien nu heel duidelijk dat als de rotor voorbij zijn positie schiet en de stappenmotor tussen het moment van voorbij schieten en het moment dat de maximale "overshoot" bereikt wordt een stapcommando krijgt de rotorbeweging een vloeiende beweging wordt. De stappenmotor is een systeem dat in een instabiele situatie kan komen. We hebben gezien dat de stappenmotor zich als een massaveersysteem gedraagt. Als de stapfrequnetie de dezelfde waarde heeft als de uitslingerfrequentie van de stappenmotor dan zal de stapfrequentie en de uitslingerfrequentie elkaar gaan versterken, zodat bijvoorbeeld de "overshoot" versterkt gaat worden door de stap-commando. Het systeem gaat oscilleren, dit is meestal goed te horen, de stappenmotor maakt meer geluid dan bij normaal bedrijf. Deze situatie moet, zeker indien de stappen motor belast wordt, zo veel mogelijk worden vermeden. Deze oscillaties die via de as worden doorgegeven naar de last, kunnen de lagering, de as of de belasting ernstig beschadigen.

9

10